Microstrip Leaky-Wave Antenna for Radar Applications

The work in this article focuses on developing and improving the performance of new leaky-wave antenna configurations that can be adapted for use in radar systems. The study focused on the W-band, where we demonstrated the possibility of modifying resonant frequencies and reducing the number of patches required. The antenna was designed using HFSS, based on the finite element method. It we designed enabled us to observe the influence of the number of patches on the radiation pattern, and also to achieve low levels of minor’s lobes. and good directivity at the operating frequency. These patches are arranged in the shape of an inverted T. The interest of this study is to meet the requirements of radar antennas dedicated to detection.

MoM Analysis and Design of a Compact Coaxial-to-Microstrip Directional Coupler

In order to overcome the main drawbacks of coaxial, waveguide, and stripline couplers, the analysis and the design of a compact coaxial-to-microstrip directional coupler convenient for power and antenna control application, are presented using the method of moments (MoM) in two dimensions. This technique is adapted to study the complex configuration of the line’s system, which does not have a simple analytical solution. The modeling of this structure consists in analyzing the primary inductive and capacitive matrices ([L] and [C]). When these matrices are determined, it is possible to calculate the inductive and capacitive coupling coefficients (kL and kC) and estimate the resulting scattering parameters of the coupler using an adapted numerical model. The coupler can be integrated into a printed circuit board (PCB) and operates over 17 to 35 dB coupling coefficients and is always compensated. The compensation is achieved by the proper displacement of a tuning ground plane with respect to the edge of the PCB from 0.1 to 3.3 mm. As an application, we present the design of a compact coupler with 7.5 × 4.8 × 25.8 mm of size and having approximately 20 dB of coupling coefficient at 2 GHz and a minimum directivity of 23.3 dB in the frequency range [0.1 - 4] GHz. In order to check our numerical calculations by the MoM we made simulations in 3D by using CST MICROWAVE STUDIO software for the same geometrical and physical parameters of our designed coupler. The results obtained by the two numerical models (MoM and CST) show a good agreement of the frequency responses of the coaxial-to-microstrip directional coupler. The studied structure represents a great improvement for high power measurement systems, since it has broad-band, good directivity, and can be easily designed and fabricated.

集成芯片硅微条探测器电子读出系统设计

设计了基于VATA460.3专用集成芯片(ASIC)的多通道、低功耗带触发硅微条探测器读出系统,该系统实现了共32路粒子入射信息读出。测试结果表明:该系统各通道基线稳定,等效噪声水平均低于0.17 fC,动态范围可达90 fC。

基于载体环境的宽带微带天线设计与分析

为确保航天环境下载体内的微带天线性能满足通信系统要求,采用多层和多模技术设计了单开槽WiFi频段的宽带微带天线,重点对载体及环境因素下宽带微带天线的性能进行仿真验证,同时分析了对天线性能的影响,并采用迭代补偿方法进行了性能修正。仿真分析结果表明:提出的迭代补偿方法对微带天线性能可以进行有效的校正;实物验证结果表明:载体内的微带天线性能稳定,满足工作频带要求。

毫米波超宽带阵列天线设计

针对传统微带天线在5G毫米波频段的应用过程中无法做到对其频段进行全覆盖的问题,设计了一款应用于5G毫米波频段的超宽带矩形微带天线。该天线通过在传统辐射贴片上刻蚀非对称的矩形凹槽以增加贴片表面的电流流经路径从而拓展天线带宽。同时,为了提高天线增益也进行了1×2阵列天线设计,并在两天线单元之间的接地板上添加T型枝节以降低彼此之间的耦合。通过仿真软件得到设计的阵列天线低于-10 dB的阻抗带宽为19.95~42.45 GHz,相对带宽达到72.1%,在工作带宽内隔离度不大于-20 dB,最大增益为5.54 dBi。

一种紧凑型低耦合超宽带MIMO天线设计

针对目前超宽带多输入多输出(ultra wideband multiple-input multiple-output,UWB-MIMO)天线存在尺寸大、隔离度低等不足,设计了一款紧凑型高隔离度UWB-MIMO天线。天线正面由“花瓶”形辐射贴片与阶梯形微带馈线组合而成,背面是具有切角的矩形接地板。通过对矩形辐射贴片对称切角、对接地板刻蚀矩形槽,实现天线的宽带化;通过在介质基板正反两面分别加载“鱼骨”形和改进对称“Y”形去耦枝节,实现天线的高隔离度。仿真与实测结果表明:天线尺寸较小,仅有22 mm×29 mm×0.8 mm,最终工作带宽可达1.5~18 GHz(相对带宽为169%),带内隔离度均高于17 dB,包络相关系数小于0.02。天线辐射性能良好且结构简单紧凑,可以很好地应用于UWB-MIMO无线通信系统中。

宽频小型化U形槽微带天线

针对微带贴片天线宽带化和小型化的设计需求,提出并设计了一种工作在S/C波段的改进的U形槽微带贴片天线。通过在辐射贴片中心开曲折U形槽,使缝隙和馈电探针偏离贴片中心,形成非对称曲折U形槽的层叠介质微带贴片天线。通过共面容性耦合馈电进一步提高天线的阻抗带宽。实测结果表明:该天线在3.11~5.40 GHz频率范围内回波损耗小于-10 dB,相对带宽可达53.8%,与仿真结果吻合,可为微带天线的小型化、宽带化设计提供参考。

可重构通道选择型功率放大器设计

为满足现代无线通信系统小型化、集成化、低成本和高性能的需求,提出了一种新型的可重构功率放大器结构。该结构设计的输入匹配网络,能够实现1~3 GHz频段内的良好匹配;输出匹配网络将可重构技术和滤波匹配技术相结合,通过分布式PIN开关连接不同的滤波匹配电路,实现信号在多通道内高效的放大特性和工作频带的高选择性输出。采用CGH40010F GaN晶体管设计并加工了一款工作在1.5、1.8、2.4、2.6 GHz的功率放大器,其带宽约为200 MHz,通带外信号衰减可达-30 dB。通过测试,该功率放大器的饱和输出功率为40 dBm,增益维持在10 dB左右,最大功率附加效率(power added efficiency, PAE)可达到63%,实测结果与仿真结果具有较好的一致性。本文结构降低了电路复杂度和设计难度,具有高效率、高选择性等优势,为设计宽频带多功能可重构功率放大器提供了一种可行的方案。

面向环境射频能量收集的宽频整流电路

整流电路是射频能量回收系统的核心,能够将射频能量转换为直流。但由于整流电路中使用的二极管具有非线性特性,导致整流效率会随频率变化而降低。为解决这一问题,本文提出一种具有宽频带的整流电路,它通过采用与二极管串联的短路线、与二极管并联的开路线以及多级微带线结构来调整阻抗匹配,实现了在宽频带范围内的高转换效率。设计的整流电路在0 dBm的输入功率下,从1.7~2.7 GHz,均达到50%的整流转换效率,最高整流转换效率为63.3%。该宽带整流电路可以运用在无线能量收集系统中。

超表面宽带天线的仿真与设计

仿真设计了一款基于超表面的宽带贴片天线,通过在矩形辐射贴片上刻蚀“工”字型缝隙展宽了天线的带宽,在不改变天线尺寸和工作频段的基础上,距离天线介质基板为H的正上方加载了5×5正方形单元结构组成的单层超表面,改善了天线的阻抗匹配,提高了天线的增益。仿真结果显示,该天线的工作频段为4.7~7.9 GHz,带宽为3.2 GHz,实现了宽带化,在工作频段内辐射方向稳定,最大增益达到了6.83 dBi。

小型化低剖面全向滤波天线设计

设计了一个小型化全向微带滤波天线。天线由带通滤波器和微带天线组成,二者共用一个地平面以减小尺寸且采用缝隙耦合方式连接,带通滤波器蚀刻在微带贴片天线的馈线位置处,引入选频滤波功能,在输入馈线前端添加一个横向矩形贴片使整个系统达到良好的阻抗匹配。与传统的微带天线相比,所设计的滤波天线在不改变尺寸大小的基础上引入了选频滤波功能,在通带边缘体现出较高的选择性。仿真与测试结果表明,该滤波天线的阻抗带宽为2.31 GHz~2.56 GHz,且通带内增益平缓,平均增益约为2.1 dBi,在工作频段内呈全向辐射特性。

辐射零点可控的平面滤波贴片天线

为满足射频前端器件集成化和多功能化的需求,设计了一款适用于WLAN 5 GHz波段的辐射零点可控的平面滤波贴片天线。该天线以同轴探针馈电的微带贴片天线为原型,上表面是由融合共生带和矩形槽的金属辐射贴片,下表面试接地面。其中共生条带位于辐射贴片的宽边两侧,矩形槽蚀刻在辐射贴片上,位于同轴馈电点两侧。两种结构分别在通带的低频和高频处各引入一个辐射零点,天线实现了的滤波响应和良好的辐射特性,同时两个辐射零点的位置自由可控,提高了设计的灵活度。仿真与测试结果表明:滤波天线的中心频率为5.25 GHz,相对带宽为14%(4.89~5.62 GHz),两个辐射零点分别位于4.55和6.05 GHz处;工作通带内增益平缓,平均增益约为7 dBi,通带外抑制水平大于19 dBi,测试与仿真结果较为一致。该滤波天线的设计未引入额外的滤波器网络,节省了天线的整体尺寸,且剖面低、重量轻、结构紧凑,具有良好的滤波和辐射性能。

基于双模槽线谐振器的宽带滤波介质谐振器天线

【目的】为满足车联网等无线通信系统对小型化、多功能介质谐振器天线(DRA)的应用需求。【方法】设计了一种基于微带-双模槽线谐振器馈电结构的宽带滤波介质谐振器天线。在天线设计中,利用双模槽线谐振器来代替微带-槽线耦合馈电结构中的传统槽线,形成一种新型微带-双模槽线谐振耦合馈电网络;该馈电网络中的双模槽线谐振器可作为能量耦合结构,从而有效激励DRA的基模(TE111);同时,也可产生两个槽线谐振模式参与天线谐振,拓宽天线带宽。此外,通过在微带馈线上引入马刺线以及槽线谐振器自身谐振特性,可以在天线通带两侧分别产生一个辐射零点,在增益曲线上呈现准椭圆滤波响应。【结果】为了进一步验证天线设计性能,对天线进行了加工、测试,测试与仿真结果基本一致。该天线中心频率为4.12GHz,阻抗带宽为53.40%(3.02~5.22 GHz),带内平坦增益为5.7 dBi。【结论】满足5G和车联网等无线通信系统的应用需求。

基于微带天线传感器的转速检测方法

一种基于微带天线传感器的转速检测新方法,以微带贴片天线和矢量网络分析仪为主要部件,通过记录转子旋转在天线近场区域对端口回波损耗的周期性影响,实现转速的实时测量。首先,结合3D打印设计并制作了一款圆形微带贴片天线,为系统的构建提供了基础。然后,通过HFSS仿真验证天线端口的回波损耗随转子旋转出现周期性变化,仿真结果进一步验证了该方案的可行性。最后,完成了系统的搭建和测试,实验结果表明:该系统能够准确检测转速,误差在5%以内,并具有抗强光,非接触和抗遮挡等优点,证明了其转速检测系统的适用性和可靠性。

基于PCA-XGBoost算法的哑铃状SIR差分滤波器设计

随着多业务无线通信技术的发展,具有共模抑制能力的差分带通滤波器越来越受到人们的关注,但是设计差分微带滤波器的传统方法过程复杂且耗时较长。针对这些问题,结合非线性赋权的极限梯度提升(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)算法,通过训练和学习滤波器结构参数和相应频率响应S参数的关系辅助进行滤波器的设计,设计了一款基于改进阶跃阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonator,SIR)的哑铃状差分带通滤波器。该滤波器的中心频率为2.6 GHz,相对带宽为7.3%,通带内插入损耗优于0.95 dB,回波损耗优于20 dB,通带内共模抑制优于42 dB,并且具有较宽的阻带。实物测试结果与算法预测结果的一致性,验证了PCA-XGBoost算法(Principal Component Analysis,PCA)用于滤波器辅助设计的可行性。

一种高增益超薄柔性可穿戴天线阵列设计

为克服微带天线增益较低的限制并提高天线的整体性能,基于聚酰亚胺材料和十字形单元,提出并设计了一种超薄柔性可穿戴的高增益天线阵列。该天线阵列由16个十字形天线单元均匀分布在4×4的拓扑结构中组成,体积为72 mm×72 mm×0.4 mm,最大增益可达9.7 dBi,天线单元工作频段为5.75~5.83 GHz,中心频率为5.8 GHz,相比于现有文献的微带天线平均增益提升了3.87 dB。对天线阵列进行了实物制作及测试,测试结果与仿真结果吻合较好,证明了该设计方案的可行性和实用性。

微带天线设计及在局部放电检测中的应用

电气设备的局部放电既是绝缘劣化的主要因素,又是有效表征绝缘缺陷的重要参量。对局部放电进行准确检测,可以及时发现危及设备安全的潜在故障。特高频检测具有实时性好、抗干扰强的优势,在放电检测中应用广泛,但现有微带天线传感器受结构尺寸限制,工作带宽难以提高。本文采用部分接地板技术结合斜切式曲流技术改善结构,综合考虑天线尺寸与工作带宽的非线性关系优化尺寸,在保持天线面积不变的前提下扩展工作带宽,并以聚酰亚胺为基底研制了新型微带天线传感器。针对尺寸优化过程中存在的单尺寸参数调整导致天线性能不稳定的问题,提出利用径向基(RBF)神经网络建立多尺寸与工作带宽之间的关系模型,运用改进白鲸优化(IBWO)算法优化天线尺寸。仿真结果表明新型柔性微带天线尺寸缩小了59.59%;工作带宽由0.598~0.6 GHz增加到0.3~3 GHz,完全满足局部放电检测的应用需求。通过模拟局部放电检测试验,并与阿基米德螺旋天线、立体螺旋天线进行比较测试,结果显示新型柔性微带天线具有更高效的检测性能。

3D打印圆极化三角形微带天线设计与制作

针对普通单馈电圆极化微带贴片天线加工过程中对切角尺寸精度要求高的问题,提出一种3D打印的圆极化三角形微带贴片天线的设计和制作方法。与传统贴片切角或贴片中心开非对称槽实现圆极化的方法不同,该方法通过在介质基板上应用3D打印嵌入十字形槽实现圆极化辐射,研究结果表明,天线的阻抗带宽为7.3%(2.38 GHz~2.56 GHz,回波损耗小于-10 dB),圆极化带宽为1.2%(2.44 GHz~2.47 GHz,轴比小于3 dB),由于介质基板上的开槽尺寸远大于贴片切角尺寸,因此降低了对开槽尺寸的精度要求,提高了设计的灵活性。

一种基于5G应用的圆极化微带相控阵天线

本文提出一款应用于5G频段,可实现方位面±40°波束扫描的圆极化微带相控阵天线。该相控阵天线单元是由矩形贴片、上下介质板、缝隙耦合馈电结构、金属反射板构成。利用切比雪夫综合法的一分八不等分功分器实现相控阵天线的馈电形式。测试结果表明,阵列天线的驻波比带宽为3.25 GHz~3.69 GHz,端口隔离度大于25 dB,扫描过程中增益最大为21 dB,增益衰落小于3 dB,最大扫描角处轴比为2.89 dB。该天线具有低剖面、高隔离度、高增益以及良好的波束扫描性能等优点。

用于土壤湿度监测的无芯片RFID传感器设计

为提高土壤湿度传感器的灵活性和可靠性,设计了一种低成本的无芯片RFID传感器,用于无线监测土壤湿度。该传感器由3个互补开口环谐振器(CSRR)以及2个正交放置的宽带圆形微带贴片天线构成。其中两个相同尺寸的CSRR间距较近,容易产生谐振器间耦合,使得高湿度土壤下的谐振频率变化更加明显,另外作为参考谐振器的CSRR则用以消除环境条件的影响,提高测量的可靠性。两个微带贴片天线用于收发信号,实现无线传感功能。分别研究了采用单、双CSRR结构下该传感器的雷达散射截面(RCS),确定了土壤湿度与谐振频率差值之间的线性关系,通过实测进一步证实了这种关系。实验结果表明,该传感器在0%~12%的土壤湿度下具有18.2 MHz/%θ的灵敏度。